JP2009089513A - 回転電機における冷却構造 - Google Patents

Abstract

【課題】 鉛直面内に起立姿勢で配置されたステータの全体を均一に冷却できるようにする。
【解決手段】 回転軸が水平方向に配置されたロータの外周を囲む環状のステータ２２が、複数のスロット３３を介して円周方向に配列された複数のコイル２３を備えており、複数のコイル２３の軸線Ｌ方向両端面に２枚のプレートを固定することで、ステータ２２の内部にスロット３３をオイル通路とする空間が区画される。一方のプレートの鉛直方向上部にオイルを供給するオイル供給口２９ａを設け、他方のプレートの円周方向全域に亘って複数のオイル排出口３１ａを所定間隔で形成し、オイル排出口３１ａの開口面積を鉛直方向下側のものほど小さく設定したことで、全てのオイル排出口３１ａから排出されるオイルの流量を均一化し、ステータ２２の全体を均一に冷却することができる。
【選択図】 図３

Description

本発明は、回転軸が略水平方向に配置されたロータの外周を囲む環状のステータが、複数のスロットを介して円周方向に配列された複数のコイルを備える回転電機における冷却構造に関する。

ステータコアの外周にインシュレータを介して巻線を巻回したコイルを円周方向に複数個結合して環状のステータを構成した回転電機において、隣接するコイルの巻線間に形成されるスロットに冷媒としてのオイルを流通させてステータの冷却を図るものが、下記特許文献１により公知である。

また回転軸を水平に配置したロータと、その外周を囲むステータとをモータケースの内部に収納し、モータケースの上壁に設けたオイル吐出口から吐出したオイルで、その下方に在るステータの冷却を図るものが、下記特許文献２により公知である。
特開２００４−４０９２４号公報 特開２００６−１９７７７２号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載されたものは、ステータの内部空間に冷媒としてのオイルを供給・排出するオイル供給口およびオイル排出口が、相互に対向する位置に１個ずつ設けられているだけなので、複数のスロットにオイルを均一に流通させることができず、ステータの全体を均一に冷却することが困難であった。

また上記特許文献２に記載されたものは、鉛直面内に起立姿勢で配置されたステータの上部から下部へと重力で流下するオイルで該ステータの冷却を図るだけなので、やはりステータの全体を均一に冷却することが困難であった。

本発明は前述の事情に鑑みてなされたもので、鉛直面内に起立姿勢で配置されたステータの全体を均一に冷却できるようにすることを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に記載された発明によれば、回転軸が略水平方向に配置されたロータの外周を囲む環状のステータが、複数のスロットを介して円周方向に配列された複数のコイルを備える回転電機において、前記複数のコイルの軸線方向両端面に第１プレートおよび第２プレートを固定することで、前記スロットを冷媒通路とする空間が区画され、前記空間の鉛直方向上部に冷媒を供給する冷媒供給口が設けられるとともに、前記第１、第２プレートの少なくとも一方の円周方向全域に亘って複数の冷媒排出口が所定間隔で形成され、前記冷媒排出口の開口面積は鉛直方向下側のものほど小さく設定されることを特徴とする、回転電機における冷却構造が提案される。

また請求項２に記載された発明によれば、請求項１の構成に加えて、前記複数の冷媒排出口は所定の円上に配置され、前記円の中心は前記ステータの中心に対して鉛直方向下側に偏心していることを特徴とする、回転電機における冷却構造が提案される。

また請求項３に記載された発明によれば、請求項１の構成に加えて、前記複数の冷媒排出口から前記ステータの中心までの距離は、鉛直方向下側にある前記冷媒排出口ほど大きく設定されることを特徴とする、回転電機における冷却構造が提案される。

また請求項４に記載された発明によれば、請求項１〜請求項３の何れか１項の構成に加えて、前記第１プレートに前記空間に冷媒を供給する冷媒供給口が形成されるとともに、前記第２プレートに前記複数の冷媒排出口が形成され、前記冷媒供給口に最も近い前記冷媒排出口の開口面積は、該冷媒排出口に隣接する冷媒排出口の開口面積よりも小さく設定されることを特徴とする、回転電機における冷却構造が提案される。

また請求項５に記載された発明によれば、請求項１〜請求項４の何れか１項の構成に加えて、冷媒を供給する冷媒供給手段から前記冷媒供給口に供給される冷媒のうち、余剰となった冷媒を貯留する冷媒貯留手段と、前記冷媒貯留手段から前記ステータの上部外周部に冷媒を供給する冷媒供給通路とを備えることを特徴とする、回転電機における冷却構造が提案される。

また請求項６に記載された発明によれば、請求項１〜請求項５の何れか１項の構成に加えて、前記スロットの径方向外側および径方向内側において、隣接する前記コイルどうしが軸線方向に延びる凸部および凹部で係合することを特徴とする、回転電機における冷却構造が提案される。

尚、実施の形態の第１、第２凸部２７ａ，２７ｂは本発明の凸部に対応し、実施の形態の第１、第２凹部２７ｂ，２７ｂは本発明の凹部に対応し、実施の形態のオイル供給口２９ａは本発明の冷媒供給口に対応し、実施の形態のオイル排出口３１ａは本発明の冷媒排出口に対応し、実施の形態のオイルポンプ３５は本発明の冷媒供給手段に対応し、実施の形態のオイル溜め３８は本発明の冷媒貯留手段に対応し、実施の形態の油路Ｐ６は本発明の冷媒供給通路に対応する。

上記構成によれば、回転軸が略水平方向に配置されたロータの外周を囲む環状のステータが、複数のスロットを介して円周方向に配列された複数のコイルを備えており、複数のコイルの軸方向両端面に第１プレートおよび第２プレートを固定することで、ステータの内部にスロットを冷媒通路とする空間が区画される。この空間の鉛直方向上部に冷媒を供給する冷媒供給口を設け、第１、第２プレートの少なくとも一方の円周方向全域に亘って複数の冷媒排出口を所定間隔で形成したので、冷媒供給口から前記空間に供給された冷媒が複数の冷媒排出口から排出される間に、スロットを通過することでステータのコイルを冷却することができる。

このとき、ステータの空間の鉛直方向下側ほど重力の影響で冷媒圧が高くなるため、冷媒排出口から排出される冷媒の流量が増加して冷却効果が高くなり、逆にステータの空間の鉛直方向上側ほど重力の影響で冷媒圧が低くなるため、冷媒排出口から排出される冷媒の流量が減少して冷却効果が低くなる可能性がある。しかしながら、冷媒排出口の開口面積を鉛直方向下側のものほど小さく設定したことで、全ての冷媒排出口から排出される冷媒の流量を均一化し、ステータの全体を均一に冷却することができる。

また請求項２の構成によれば、複数の冷媒排出口が配置される所定の円の中心を、ステータの中心に対して鉛直方向下側に偏心させたので、鉛直方向上側の冷媒排出口を鉛直方向上側のスロットの下側に近接させ、鉛直方向下側の冷媒排出口を鉛直方向下側のスロットの下側に近接させることができ、これによりスロット内に冷媒が淀んで冷却効果が低下するのを防止することができる。

また請求項３の構成によれば、複数の冷媒排出口からステータの中心までの距離を、鉛直方向下側にある冷媒排出口ほど大きく設定したので、鉛直方向上側の冷媒排出口を鉛直方向上側のスロットの下側に近接させ、鉛直方向下側の冷媒排出口を鉛直方向下側のスロットの下側に近接させることができ、これによりスロット内に冷媒が淀んで冷却効果が低下するのを防止することができる。

また請求項４の構成によれば、第１プレートに冷媒供給口を形成して第２プレートに複数の冷媒排出口を形成し、冷媒供給口に最も近い冷媒排出口の開口面積を、その冷媒排出口に隣接する冷媒排出口の開口面積よりも小さく設定したので、第１プレートの冷媒供給口から供給された冷媒がステータの空間を満たすことなく、その冷媒供給口に近い冷媒排出口へと短絡して前記空間の外部に排出されてしまうのを防止することができる。

また請求項５の構成によれば、冷媒を供給する冷媒供給手段から前記冷媒供給口に供給される冷媒のうち、余剰となった冷媒を冷媒貯留手段に貯留し、その冷媒貯留手段からステータの上部外周部に冷媒供給通路を介して冷媒を供給するので、ステータの内部からだけでなく、余剰となった冷媒を利用してステータの外周部からも冷却を行って冷却効果を高めることができる。

また請求項６の構成によれば、ステータのスロットの径方向外側および径方向内側において、隣接するコイルどうしが軸方向に延びる凸部および凹部で係合するので、特別のシール部材を設けることなく、ステータ内に冷媒を保持する空間を外部の空間から隔絶して冷媒の漏れを最小限に抑えることができる。

以下、本発明の実施の形態を添付の図面基づいて説明する。

図１〜図６は本発明の第１の実施の形態を示すもので、図１はモータの縦断面図、図２は図１の要部拡大図、図３は図１の３−３線矢視図、図４は図３の要部拡大図、図５は図１の５−５線矢視図（第１プレートの単品図）、図６は図１の６−６線矢視図（第２プレートの単品図）である。

図１〜図３に示すように、直流ブラシレス型のモータＭのハウジング１１は第１ハウジング１２および第２ハウジング１３を複数本のボルト１４…で結合して構成されており、第１、第２ハウジング１２，１３にぞれぞれボールベアリング１５，１６を介して回転軸１７が支持される。回転軸１７に固定されたロータ１８は、径方向内側のロータボス１９と、ロータボス１９の径方向外側に固定された積層鋼板よりなるロータコア２０と、ロータコア２０の外周部に埋め込まれた複数の永久磁石２１…とで構成される。

ロータ１８の外周に配置される環状のステータ２２は、複数（実施の形態では１８個）のＵ層、Ｖ層、Ｗ層のコイル２３…を円周方向に交互に結合して構成されるもので、その外周部に嵌合する環状の保持部材２４が複数本のボルト２５…で第１ハウジング１２の端面に固定される。各コイル２３は、積層鋼板よりなるステータコア２６と、ステータコア２６を覆う合成樹脂製のインシュレータ２７と、インシュレータ２７の外周に巻回された巻線２８とで構成される。

環状に配置されたコイル２３…のインシュレータ２７…の一方の端面に、円環状の板材で構成された第１プレート２９が重ね合わされ、その内周部が複数本のボルト３０…でインシュレータ２７…に固定される。また環状に配置されたコイル２３…のインシュレータ２７…の他方の端面に、円環状の板材で構成された第２プレート３１が重ね合わされ、その外周部が複数本のボルト３２…でインシュレータ２７…に固定される。

図２および図５から明らかなように、第１プレート２９は、その鉛直方向上部に円形のオイル供給口２９ａが形成されており、そのオイル供給口２９ａは第１ハウジング１２に形成したオイル供給通路１２ａにシール部材３９を介して接続される。また第１プレート２９の内周部には、前記ボルト３０…が貫通するボルト孔２９ｂ…が形成される。

図２および図６から明らかなように、第２プレート３１は、回転軸１７の軸線Ｌを中心とする円Ｃ上に等間隔で配置された１８個のオイル排出口３１ａ…を備えるとともに、その外周部には、前記ボルト３２…が貫通するボルト孔３１ｂ…が形成される。

図３および図４から明らかなように、隣接するコイル２３…の巻線２８…間に、軸線Ｌ方向に延びる空間を構成するスロット３３…が形成されており、これらのスロット３３…の両端は第１、第２プレート２９，３１に達している。各コイル２３のインシュレータ２７は、一側面に軸線Ｌ方向に延びる第１凸部２７ａおよび第２凸部２７ｂを備えるとともに、他側面に軸線Ｌ方向に延びる第１凹部２７ｃおよび第２凹部２７ｄを備えており、隣接するインシュレータ２７，２７は、スロット３３の径方向外側において第１凸部２７ａおよび第１凹部２７ｃが係合し、スロット３３の径方向内側において第２凸部２７ｂおよび第２凹部２７ｄが係合する。これらの凹凸係合部のシール効果により、スロット３３から径方向内外にオイルが漏出するのを最小限に抑えることができる。

第２プレート３１に形成した各オイル排出口３１ａは、各スロット３３の径方向中間に対向するように位置しており、かつ第１プレート２９のオイル供給口２９ａは一つのオイル排出口３１ａに対向するように位置している（図４参照）。

図６から明らかなように、第２プレート３１の１８個のオイル排出口３１ａ…は、上側に位置するものの直径（開口面積）が最も大きく、下側に位置するものの直径（開口面積）が最も小さく、その間で連続的に直径が変化している。

図１に示すように、オイルを貯留するリザーバ３４は、油路Ｐ１、オイルポンプ３５、油路Ｐ２、制御バルブ３６、油路Ｐ３、オイルクーラー３７および油路Ｐ４を介して第１ハウジング１２のオイル供給通路１２ａに接続される。油路Ｐ４から分岐した油路Ｐ５はオイル溜め３８に接続され、オイル溜め３８は油路Ｐ６を介してハウジング１１の上端の内部空間に接続する。ハウジング１１の下端の内部空間は、油路Ｐ７を介してリザーバ３４に接続される。制御バルブ３６から分岐した油路Ｐ８は、各油圧機器に接続される。

次に、上記構成を備えた第１の実施の形態の作用を説明する。

モータＭの運転に伴い発熱するステータ２２を冷却すべく、オイルポンプ３５がリザーバ３４のオイル汲み上げ、リザーバ３４→油路Ｐ１→オイルポンプ３５→油路Ｐ２→制御バルブ３６→油路Ｐ３→オイルクーラー３７→油路Ｐ４を介して第１ハウジング１２のオイル供給通路１２ａに供給する。このとき、モータＭに供給されるオイルの圧力は、制御バルブ３６で比較的に低圧に調圧されている。

ステータ２２の内部には軸線Ｌ方向に延びる１８本のスロット３３…が平行に形成されており、それらの両端は第１、第２プレート２９，３１の内面で相互に連通している。またコイル２３…のインシュレータ２７…の第１、第２凸部２７ａ，２７ｂおよび第１、第２凹部２７ｃ，２７ｄの係合により、ステータ２２の内部空間から径方向内外に漏れるオイルの量が最小限に抑えられる。従って、第１プレート２９のオイル供給口２９ａから供給された冷媒としてのオイルはステータ２２の内部空間を満たし、スロット３３…を第１プレート２９側から第２プレート３１側に流れる間に、その両側に位置するコイル２３…冷却することができる。そしてステータ２２の冷却を終えたオイルは第２プレート３１に形成した１８個のオイル排出口３１ａ…からハウジング１１の内部に排出され、ハウジング１１の底部に溜まったオイルは油路Ｐ７を介してリザーバ３４に戻される。

一方、第１ハウジング１２のオイル供給通路１２ａに供給しきれなかった余剰のオイルは油路Ｐ５を介してオイル溜め３８の供給され、そこから重力で油路Ｐ６を介してハウジング１１の上端の内部空間に供給される。このオイルはステータ２２の外表面を伝わって重力で下方に流れ、その間にステータ２２を外表面側から冷却し、ステータ２２の内部を冷却して第２プレート３１に形成した１８個のオイル排出口３１ａ…から排出されたオイルと合流してリザーバ３４に戻される。

さて、第１プレート２９のオイル供給口２９ａからステータ２２の内部に供給されたオイルは該ステータ２２の内部空間を満たすが、ステータ２２の鉛直方向下方ほど重力によるオイル圧が大きくなり、ステータ２２の鉛直方向上方ほど重力によるオイル圧が小さくなる。従って、仮に１８個のオイル排出口３１ａ…の直径が一定である、圧力の高い鉛直方向下側のオイル排出口３１ａ…から多量のオイルが流出し、その近傍のオイルの流量が増加して冷却効果が高くなり、逆に、圧力の低い鉛直方向上側のオイル排出口３１…から少量のオイルが流出し、その近傍のオイルの流量が減少して冷却効果が低くなり、ステータ２２の全体を均一に冷却することが困難になる。

しかしながら本実施の形態によれば、オイル圧が高くなる鉛直方向下側のオイル排出口３１ａ…ほど直径を小さくしたことで、全てのオイル排出口３１ａ…から均一にオイルを排出することを可能にし、全てのスロット３３…を流れるオイルの流量を均一化してステータ２２の全体を均等に冷却することができる。しかも、余剰となったオイルをオイル溜め３８からステータ２２の外表面に掛け流して冷却するので、ステータ２２を内側および外側の両方から効果的に冷却することができる。

次に、図７に基づいて本発明の第２の実施の形態を説明する。

第１の実施の形態では、図４から明らかなように、第１プレート２９のオイル供給口２９ａと第２プレート３１の一つのオイル排出３１ａとがスロット３３を介して直接対峙しているため、オイル供給口２９ａから供給されたオイルがスロット３３を軸線Ｌ方向に流れて前記オイル排出３１ａから真っ直ぐ流出してしまうため、せっかくステータ２２の内部に供給したオイルが無駄になる可能性がある。

そこで第２の実施の形態では、オイル供給口２９ａに最も近いオイル排出３１ａ（１）の直径をその両側に隣接する２個のオイル排出３１ａ（２），３１ａ（２）の直径よりも例外的に小さくすることで、オイルの無駄な流出を最小限に抑えている。

尚、オイル供給口２９ａに最も近いオイル排出３１ａ（１）の数は１個とは限らず、該オイル供給口２９ａの両側の当距離の位置に配置された２個の場合もある。

第２の実施の形態のその他の構成および効果は、上述した第１の実施の形態と同様である。

次に、図８および図９に基づいて本発明の第３の実施の形態を説明する。

第１の実施の形態では第２プレート３１のオイル排出口３１ａ…がスロット３３…の径方向中央部に配置されていたが（図３参照）、このようにすると、スロット３３…の下部、つまりオイル排出口３１ａ…とスロット３３…の底との間にオイルが滞留してしまい、滞留したオイルの温度が上昇して冷却効果が低下する可能性がある。

そこで第３の実施の形態では、オイル排出口３１ａ…をスロット３３…のできるだけ低い位置に対応させることで、スロット３３…におけるオイルの滞留を最小限に抑えて冷却効果を高めている。

具体的には、第１の実施の形態と同様に１８個のオイル排出口３１ａ…は円Ｃ上に配置されているが、第１の実施の形態では前記円Ｃの中心は回転軸１７の軸線Ｌと一致していのに対し、第３の実施の形態では前記円Ｃの中心が回転軸１７の軸線Ｌから鉛直方向下方に距離Ｅだけ偏心したＬ′位置となる。そのため、ステータ２２の鉛直方向中間部のスロット３３…の位置では、第２プレート３１のオイル排出口３１ａ…の位置を円Ｃ上で円周方向に僅かに移動させ、スロット３３…にオイル排出口３１ａ…が対向するように調整することが必要となる。

この第３の実施の形態によれば、オイル排出口３１ａ…がスロット３３…の下部に開口するので、スロット３３…の底部にオイルが滞留して冷却効果が低下するのを防止することができる。

第３の実施の形態のその他の構成および効果は、上述した第１の実施の形態と同様である。

以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々の設計変更を行うことが可能である。

例えば、実施の形態ではモータＭについて説明したが、本発明はジェネレータを含む回転電機に対して適用することができる。

また実施の形態ではオイル供給口２９ａおよびオイル排出口３１ａ…をスロット３３…に対向する位置に設けているが、それらをスロット３３…に対向する位置から円周方向にずれた位置に配置することができる。

また第３の実施の形態の変形例として、回転軸１７の軸線Ｌから測った各オイル排出口３１ａ…までの距離を、鉛直方向下側にあるオイル排出口３１ａ…ほど大きく設定しても良い。これにより、鉛直方向上側のオイル排出口３１ａ…を鉛直方向上側のスロット３３…の下側に近接させ、鉛直方向下側のオイル排出口３１ａ…を鉛直方向下側のスロット３３…の下側に近接させることができ、これによりスロット３３…内にオイルが淀んで冷却効果が低下するのを防止することができる。

また実施の形態では第２プレート３１だけにオイル排出口３１ａ…を形成しているが、第１、第２プレート２９，３１の両方にオイル排出口を設けることができる。

また実施の形態では第１プレート２９にオイル供給口２９ａを設けているが、そのオイル供給口の位置は第１プレート２９に限定されるものではない。

本発明の第１の実施の形態に係るモータの縦断面図 図１の要部拡大図 図１の３−３線矢視図 図３の要部拡大図 図１の５−５線矢視図（第１プレートの単品図） 図１の６−６線矢視図（第２プレートの単品図） 本発明の第２の実施の形態に係る、前記図４に対応する図 本発明の第３の実施の形態に係る、前記図３に対応する図 同じく前記図６に対応する図（第２プレートの単品図）

符号の説明

１７ 回転軸
１８ ロータ
２２ ステータ
２３ コイル
２７ａ 第１凸部（凸部）
２７ｂ 第２凸部（凸部）
２７ｃ 第１凹部（凹部）
２７ｄ 第２凹部（凹部）
２９ 第１プレート
２９ａ オイル供給口（冷媒供給口）
３１ 第２プレート
３１ａ オイル排出口（冷媒排出口）
３３ スロット
３５ オイルポンプ（冷媒供給手段）
３８ オイル溜め（冷媒貯留手段）
Ｃ 円
Ｌ 軸線
Ｐ６ 油路（冷媒供給通路）

Claims (6)

1. 回転軸（１７）が略水平方向に配置されたロータ（１８）の外周を囲む環状のステータ（２２）が、複数のスロット（３３）を介して円周方向に配列された複数のコイル（２３）を備える回転電機において、
   前記複数のコイル（２３）の軸線（Ｌ）方向両端面に第１プレート（２９）および第２プレート（３１）を固定することで、前記スロット（３３）を冷媒通路とする空間が区画され、前記空間の鉛直方向上部に冷媒を供給する冷媒供給口（２９ａ）が設けられるとともに、前記第１、第２プレート（２９，３１）の少なくとも一方の円周方向全域に亘って複数の冷媒排出口（３１ａ）が所定間隔で形成され、前記冷媒排出口（３１ａ）の開口面積は鉛直方向下側のものほど小さく設定されることを特徴とする、回転電機における冷却構造。
2. 前記複数の冷媒排出口（３１ａ）は所定の円（Ｃ）上に配置され、前記円（Ｃ）の中心は前記ステータ（２２）の中心に対して鉛直方向下側に偏心していることを特徴とする、請求項１に記載の回転電機における冷却構造。
3. 前記複数の冷媒排出口（３１ａ）から前記ステータ（２２）の中心までの距離は、鉛直方向下側にある前記冷媒排出口（３１ａ）ほど大きく設定されることを特徴とする、請求項１に記載の回転電機における冷却構造。
4. 前記第１プレート（２９）に前記空間に冷媒を供給する冷媒供給口（２９ａ）が形成されるとともに、前記第２プレート（３１）に前記複数の冷媒排出口（３１ａ）が形成され、前記冷媒供給口（２９ａ）に最も近い前記冷媒排出口（３１ａ）の開口面積は、該冷媒排出口（３１ａ）に隣接する冷媒排出口（３１ａ）の開口面積よりも小さく設定されることを特徴とする、請求項１〜請求項３の何れか１項に記載の回転電機における冷却構造。
5. 冷媒を供給する冷媒供給手段（３５）から前記冷媒供給口（２９ａ）に供給される冷媒のうち、余剰となった冷媒を貯留する冷媒貯留手段（３８）と、前記冷媒貯留手段（３８）から前記ステータ（２２）の上部外周部に冷媒を供給する冷媒供給通路（Ｐ６）とを備えることを特徴とする、請求項１〜請求項４の何れか１項に記載の回転電機における冷却構造。
6. 前記スロット（３３）の径方向外側および径方向内側において、隣接する前記コイル（２３）どうしが軸線（Ｌ）方向に延びる凸部（２７ａ，２７ｂ）および凹部（２７ｃ，２７ｄ）で係合することを特徴とする、請求項１〜請求項５の何れか１項に記載の回転電機における冷却構造。

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